基站是怎樣“上天”的？

本文來源：網(wǎng)優(yōu)雇傭軍

基站安裝于距地面約14km的飛行平臺上，采用大規(guī)模天線陣列向地面發(fā)射120個波束，每個波束對應一個蜂窩小區(qū)，這樣在地面就形成了一片由120個小區(qū)組成的連續(xù)覆蓋區(qū)域。

基站就這樣“上天”了！

可以妥妥的解決規(guī)劃難、選址難、建站難、覆蓋難、成本高等等各種建設地面蜂窩網(wǎng)絡遇到的大把難題！

日前，德國電信演示了其高空平臺（High Altitude Platform System，HAPS）項目的最新成果，并雄心勃勃的宣布了以上計劃。

一時間，“基站上天”這個話題再次成了業(yè)界討論的熱點話題。

那基站到底是怎樣“上天”的呢？

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在本次德國電信成功演示的HAPS項目中，天線安裝于可遠程遙控的飛行平臺上，該飛行平臺位于離地約14km的平流層，可在地面形成直徑約10km的覆蓋小區(qū)，且在該小區(qū)范圍內(nèi)手機可直接與飛機上的天線連接通信。而飛行平臺連接到地面核心網(wǎng)采用高頻段、大帶寬的無線回傳。

該項目采用了5G Ready的LTE技術(shù)，工作頻段為2.1GHz，信道帶寬為10MHz，可提供VoLTE語音和數(shù)據(jù)通信。

路測結(jié)果顯示，智能手機通過飛機上的天線連接德國電信的地面移動網(wǎng)絡，下載速度可達70Mbps，上傳速度達20Mbps。同時，手機還可以在飛行平臺提供的小區(qū)與地面基站的小區(qū)之間實現(xiàn)來回切換。

德國電信表示，這是全球首次成功實現(xiàn)了將HAPS與地面商用移動網(wǎng)絡集成在一起。

HAPS覆蓋面積廣，尤其可以解決地面基站信號因受到建筑物、山丘等阻擋所產(chǎn)生的陰影效應而形成的覆蓋盲點，因此是地面移動網(wǎng)絡的良好補充。

德國電信表示：“本次演示表明，我們將來可以為任何地方帶來快速的互聯(lián)網(wǎng)連接，尤其是在一些傳統(tǒng)地面基站選址難、建設難的地方。‘空中基站’將成為我們的移動通信網(wǎng)絡的頗具成本效益的補充。”

據(jù)悉，該項目由德國電信和SPL（Stratosphere Platforms Limited）公司聯(lián)合開發(fā)，SPL提供飛行平臺。項目于2016年開始，到今天已持續(xù)投資了5年。

對于此次成功演示，雙方均感到非常興奮，并認為這是德國電信乃至整個歐洲的創(chuàng)新典范。

面向未來，德國電信還對外宣布了一個雄心勃勃的計劃：

在飛行平臺上安裝面積約9平方米的，由1028個天線單元組成的大規(guī)模天線陣列，可發(fā)射200個波束，每個波束對應一個小區(qū)，200個小區(qū)可同時在地面形成直徑約140km的連續(xù)覆蓋范圍。

德國電信表示，一個飛行平臺可部署數(shù)百個小區(qū)，理論上覆蓋整個德國只需30架飛機，覆蓋整個肯尼亞只需50架飛機，而覆蓋整個美國只需670架飛機。

另外，該項目還在開發(fā)支持6GHz以下和毫米波頻段的天線版本，以后HAPS不但將用于解決室外廣覆蓋，還將用來解決室內(nèi)覆蓋，部署固定無線服務以替代固網(wǎng)家寬，以及覆蓋飛機等。并采用更先進的小區(qū)間協(xié)同技術(shù)來規(guī)避地面小區(qū)和HAPS小區(qū)之間的頻率干擾等問題。

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與德國電信類似，日本運營商軟銀于2019年4月宣布成立合資公司HAPSMobile，也啟動了HAPS計劃，以構(gòu)建面向全球業(yè)務的空中通信系統(tǒng)。

軟銀介紹，HAPS指位于平流層的飛行平臺可以像基站一樣直接連接手機和物聯(lián)網(wǎng)終端，并與地面的電信網(wǎng)絡互聯(lián)互通，從而實現(xiàn)天地一體的立體組網(wǎng)。

HAPS位于距離地表約10至50km的平流層，比民航飛機飛行高度高，比衛(wèi)星軌道高度低，且平流層里空氣流動比較穩(wěn)定、平緩，因此，HAPS兼具衛(wèi)星和陸地通信系統(tǒng)的優(yōu)勢，具有覆蓋面積廣、成本較低、傳輸延遲小、易配置等特點。

軟銀表示，一個HAPS在地面可覆蓋直徑約200km的面積，大約40個HAPS就可覆蓋整個日本群島。

HAPS飛行平臺采用太陽能供電，可在任意坐標處持續(xù)盤旋飛行6個月。

從軟銀HAPS組網(wǎng)架構(gòu)看，飛行平臺包括了Service link和Feeder link，前者是直接與手機或物聯(lián)網(wǎng)終端通信的鏈路；后者即回傳鏈路，其通過高頻段無線與地面網(wǎng)關(guān)連接，再經(jīng)過地面?zhèn)魉途W(wǎng)連接到移動核心網(wǎng)。

對于Service link，軟銀計劃采用450MHz至2.6GHz頻段；對于Feeder link，將采用21GHz、26GHz、28GHz、31GHz、38GHz、47GHz等高頻段。

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在運營商們熱衷于“基站上天”這種創(chuàng)新的網(wǎng)絡架構(gòu)和服務模式的同時，標準組織3GPP也在研究NTN（Non-Terrestrial Networks，非陸地網(wǎng)絡）。

5G和6G的夢想是全連接、全覆蓋。但要實現(xiàn)這個夢想太難，運營商不得不花很多錢，建很多基站，尤其是偏遠山區(qū)，建站成本高的嚇死人，還幾乎沒有收入。即使不差錢，海上行駛的船只、空中飛翔的飛機，你怎么去覆蓋？

最好的辦法就是讓地面的蜂窩網(wǎng)絡“通天”，即與非地面網(wǎng)絡（NTN），比如與衛(wèi)星網(wǎng)絡或UAS（無人機系統(tǒng)）融合，打造立體式的廣覆蓋。

從上圖可以看到，3GPP的NTN與德國電信和軟銀的HAPS組網(wǎng)架構(gòu)是相似的。

具體的講 ，分為以下3種：

1）基于衛(wèi)星透傳5G NR無線信號

5G基站（gNB）依然部署于地面，但NR無線信號通過衛(wèi)星透傳，并經(jīng)地面的NTN網(wǎng)關(guān)傳送到gNB。簡單的講，衛(wèi)星當直放站用。

2）衛(wèi)星搭載5G基站（gNB）

3）衛(wèi)星搭載gNB-DU

5G基站（gNB）分為CU和DU部分，將DU部分搭載于衛(wèi)星上。

為了識別業(yè)務需求，以幫助運營商增加業(yè)務收入，3GPP還確定了NTN網(wǎng)絡的12大用例，包括基于衛(wèi)星覆蓋的廣播和組播業(yè)務、基于衛(wèi)星覆蓋的廣域物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT和mMTC）、衛(wèi)星回傳、5G泛在連接等。

過去，地面移動通信網(wǎng)絡與衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)一直平行發(fā)展，很少相交，但如今隨著商業(yè)航天發(fā)展以及5G和6G需求，兩者正在融合。毫無疑問，這將有力的推動實現(xiàn)萬物智聯(lián)的世界。

但最后NTN或者“基站上天”也面臨一些挑戰(zhàn)，比如：

1）衛(wèi)星行業(yè)缺乏統(tǒng)一的標準。一直以來，移動通信產(chǎn)業(yè)基于全球統(tǒng)一標準，每一個G都能快速實現(xiàn)生態(tài)規(guī)?；l(wèi)星行業(yè)在這方面比較缺乏。

2）將衛(wèi)星技術(shù)集成在手機和物聯(lián)網(wǎng)終端里，會帶來成本、功耗的挑戰(zhàn)，以及需要全球產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)力支持。

3）衛(wèi)星提供的網(wǎng)絡容量有限，尤其在支持無線回傳方面。

4）衛(wèi)星對城市5G或6G部署可能沒有任何幫助，因為這些地方的地面部署成本更低。

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